Zmiana klimatu a zlodzenie jezior w Polsce

2 dni temu

Tworzenie się lodu na rzekach i jeziorach jest zjawiskiem typowym dla naszej szerokości geograficznej, ma charakter sezonowy i jest czułym wskaźnikiem zmian klimatu. Jego występowanie kształtuje przebieg procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych w jeziorze. Jego redukcja odbija się na ekologii jeziora: może prowadzić do wzrostu produktywności (bujniejszego rozwoju glonów i innych organizmów) i pogorszenia stanu wody (tzw. eutrofizacji). Specjalnie dla Was o tym, jak zmienia się zlodzenie i pokrywa lodowa polskich jezior w dobie zmiany klimatu pisze dr Marika Kornaś-Dynia, główna specjalista ds. limnologii Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowego Instytutu Badawczego.

Badania nad występowaniem i zmiennością zjawisk lodowych należą do podstawowych, a w ostatnich latach coraz częściej podejmowanych problemów badawczych w limnologii (Smol i in., 2005, Woolway i in., 2017), również w Polsce (Choiński i in., 2015, Skowron i in., 2023). Jeziora są ważnym elementem środowiska przyrodniczego, biorącym udział w jego przemianach, które zachodzą równolegle ze zmianami klimatycznymi. Czas trwania zjawisk lodowych oraz miąższość pokrywy lodowej na jeziorach wykazuje silny związek z przebiegiem warunków meteorologicznych, a zwłaszcza zim termicznych (okresów o średniej temperaturze dobowej poniżej 0°C). Powszechnie uznaje się, iż zlodzenia jezior są wskaźnikiem zmian klimatycznych, a długookresowe zmiany przebiegu zjawisk lodowych związane są z fluktuacjami klimatu.

Limnologia – nauka o jeziorach, dział hydrologii zajmujący się badaniem adekwatności oraz ustroju fizycznego, chemicznego i biologicznego jezior, jej podstawą jest badanie zjawisk zachodzących w jeziorach (np. ich bilansu wodnego, zmian temperatury, zjawisk lodowych, prądów i zjawisk falowania, procesów kształtowania brzegów, jak i sedymentacji).

Kiedy i jak pojawia się zlodzenie jeziora?

Zasięg, grubość i czas utrzymywania się lodu na powierzchni jeziora zależą od przebiegu temperatury wody w ciągu całego roku. Pojawienie się pokrywy lodowej wiąże się z całkowitym odcięciem wpływu czynników zewnętrznych, osłabieniem wymiany cieplnej, zmianą warunków świetlnych oraz ustaniem mieszania wody napędzanego przez wiatr. W takiej sytuacji powstają nowe, odmienne warunki dla przebiegu procesów w jeziorze, konsekwencją czego jest przede wszystkim stabilizacja warstw powierzchniowych oraz powstanie wewnętrznej cyrkulacji wody.

Zlodzenie jezior może przyjmować różnorakie, niekiedy bardzo malownicze formy. Zasadniczo na jeziorach naukowcy wyróżniają cztery rodzaje zjawisk lodowych: śryż, lód brzegowy, pokrywę lodową oraz krę lodową. Tworzenie się lodu na jeziorach jest możliwe, gdy temperatura powietrza jest ujemna, a woda na powierzchni jeziora jest „przechłodzona” (ma temperaturę poniżej 0°C). W strefie klimatu umiarkowanego występowanie zjawisk lodowych na jeziorach ogranicza się zatem do miesięcy zimowych i notowane jest głównie w okresie od początku listopada do końca kwietnia (wyjątek stanowią jeziora górskie, w przypadku których okres ten jest znacznie dłuższy).

Zlodzenie jezior przebiega zwykle w trzech fazach: okres zamarzania, zalegania pokrywy lodowej oraz topnienia lodu. Proces zamarzania powierzchni jezior zachodzi w różnym tempie: od jednego dnia w przypadku jezior małych, o niewielkich głębokościach i bardzo silnych mrozów do choćby kilkunastu dni przy dużych akwenach, o zróżnicowanej głębokości, mocno rozczłonkowanych i silnie zanieczyszczonych.

Pomiary zlodzenia jezior w Polsce

W Polsce najdłuższe obserwacje zjawisk lodowych na jeziorach prowadzone są przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy (IMGW-PIB), a pierwsze takie obserwacje rozpoczęto już w połowie XIX wieku. Najdłuższa seria nieprzerwanych obserwacji zlodzenia na jeziorze w Polsce dotyczy Jeziora Charzykowskiego i sięga 1955 roku. Monitoring zlodzenia jezior prowadzony jest przez obserwatora na stacjach wodowskazowych codziennie o godzinie 6 UTC (Ilustracja 2). Wykonuje on obserwacje wizualne rodzaju zjawisk lodowych oraz pomiary grubości pokrywy lodowej. Grubość pokrywy lodowej mierzona jest dzięki tzw. kosy lodowej codziennie (dawniej co 5 dni oraz ostatniego dnia miesiąca) od momentu zamarznięcia jeziora na całej powierzchni i gdy grubość lodu pozwala na bezpieczne na nią wejście.

Ilustracja 2: Zjawiska lodowe na jeziorze Litygajno – stacja wodowskazowa Borki (po lewej) i Jeziorze Rajgrodzkim – stacja wodowskazowa Rajgród (po prawej). Źródło: archiwum Państwowej Służby Hydrologiczno-Meteorologicznej IMGW-PIB).

Zmienność czasu zlodzenia na jeziorach w Polsce oparta na czterdziestoletniej serii obserwacyjnej z lat 1981-2020 dla 35 jezior reprezentatywnych dla Niżu Polskiego wykazuje wyraźny trend ujemny (Ilustracja 3). W przebiegu zauważalny jest malejący udział dni ze zjawiskami lodowymi, szczególnie w ostatniej dekadzie badanego okresu. W porównaniu z pierwszą dekadą, na każdym z 35 jezior zanotowano spadek liczby dni ze zlodzeniem. Średni czas trwania zjawisk lodowych na jeziorach w pierwszej dekadzie analizowanego okresu wynosił 79 dni, natomiast w ostatniej dekadzie już 65 dni. Nastąpiło więc skrócenie czasu trwania zjawisk lodowych na jeziorach przeciętnie o 14 dni. Dla niemal 30% analizowanych jezior był to spadek choćby o przeszło 20 dni (maksymalnie 25 dni).

Zmiany liczby dni ze zjawiskami lodowymi na jeziorach wykazują wyraźny związek z przebiegiem temperatury powietrza półrocza zimowego. Okresy spadku średniej temperatury powietrza miesięcy zimowych (XI-IV) ze stacji synoptycznych IMGW-PIB reprezentatywnych dla regionów klimatycznych, na których zlokalizowane są badane jeziora, pokrywają się z notowanym w tym czasie wzrostem liczby dni ich zlodzenia i odwrotnie. Tempo spadku liczby dni ze zlodzeniem na jeziorach wynosiło około 6 dni na dekadę. W latach 1981-2020 czas trwania zjawisk lodowych uległ zmniejszeniu średnio o 24 dni. Tendencja ta była spowodowana przede wszystkim wzrostem temperatury powietrza w półroczu zimowym.

Pokrywa lodowa: coraz cieńsza i rzadsza

Badania przeprowadzone na polskich jeziorach wykazały, iż pokrywa lodowa (nieruchoma powłoka lodowa o gładkiej lub nierównej powierzchni, pokrywająca zwierciadło wody na całej jej szerokości) stanowi średnio około 80% wszystkich notowanych zjawisk lodowych (Ilustracja 4). Obserwowana tendencja spadkowa czasu trwania zlodzenia jezior przekłada się również w podobnym stopniu na spadek liczby dni z pokrywą lodową. Średni czas trwania zjawisk lodowych na jeziorach wynosił w ostatnim czterdziestoleciu 76 dni, z czego średnio przez 59 dni utrzymywało się na ich powierzchni pełne zlodzenie.

W przyjętej skali czasowej najwyższe wartości czasu trwania zjawisk lodowych, pokrywy lodowej oraz jej grubości notowano na jeziorach w 1996 roku. Średni czas trwania zjawisk lodowych wyniósł wówczas 139 dni, w tym pokrywy lodowej 126 dni. Najdłużej zlodzenie utrzymywało się na jeziorze Jeziorak – przez 151 dni, z czego przez 147 dni jezioro było zamarznięte na całej powierzchni. Z drugiej strony w 2020 roku niemal 75% badanych jezior było całkowicie wolnych od lodu. W roku tym na żadnym z 35 jezior nie notowano pokrywy lodowej, a w całej Polsce wystąpiła ona jedynie na jeziorach górskich. Był to pierwszy rok od początku prowadzenia obserwacji zjawisk lodowych na jeziorach w Polsce z tak niewielkim czasem ich trwania.

Kolejnym skutkiem obserwowanych w ostatnich latach intensywnych zmian klimatycznych jest również zmniejszanie się grubości pokrywy lodowej na jeziorach (Ilustracja 5). Średnia maksymalna grubość pokrywy lodowej na badanych jeziorach w analizowanym okresie wynosiła 23 cm. Na przestrzeni wyróżnionych dekad zaobserwowano spadek jej grubości, głównie w ostatnim dziesięcioleciu, choćby o 5 cm.

W latach 1981-2020 nastąpiło zmniejszenie średniej maksymalnej grubości pokrywy lodowej na jeziorach o 8 cm, a tempo tego spadku wynosi 2 cm na dekadę. Maksymalnie średnia grubość pokrywy lodowej osiągnęła 50 cm w 1996 roku, największa miąższość całkowitego zlodzenia 66 cm wystąpiła wówczas na jeziorze Litygajno. Po tym roku na żadnym z jezior nie notowano już tak wysokich wartości grubości pokrywy lodowej.

Zaczyna się później i kończy się wcześniej

Wyniki przeprowadzonych badań wskazują na późniejsze zamarzanie jezior oraz wcześniejsze topnienie lodu na jeziorach. W efekcie czego następuje skrócenie długości okresów ze zlodzeniem na jeziorach w Polsce (Ilustracja 6). Zjawiska lodowe na jeziorach w ostatnich 40 latach przeciętnie pojawiały się o 5 dni później, a zanikały o 2 dni wcześniej na dekadę. Oznacza to, iż nastąpiło przesunięcie dat początku zamarzania jezior o 20 dni później i dat końca zlodzenia o 8 dni wcześniej.

Zdecydowanie większe zmiany uwidaczniają się w przebiegu dat początku zlodzenia. W pierwszych dwóch dekadach zjawiska lodowe na poszczególnych jeziorach najwcześniej notowano 3 listopada, a średnio 15 grudnia wszystkie analizowane jeziora były już pokryte lodem. Po 2000 roku data pojawienia się pierwszych zjawisk na jeziorach to już 10 listopada, a średnia data początku przesunęła się na 28 grudnia.

A jak wyglądają globalne zmiany zlodzenia jezior?

Synteza danych historycznych dotyczących zlodzenia jezior na świecie w połączeniu z globalnymi modelami klimatycznymi wykazują podobne zależności (Hampton i in., 2024). Okres utrzymywania się pokrywy lodowej w ciągu ostatnich 165 lat skrócił się o 31 dni, a tysiącom jezior, które historycznie każdej zimy skuwał lód, zdarza się nie zamarzać w ogóle. W ciągu ostatnich 25 lat tempo zanikania lodu na jeziorach znacznie przyspieszyło, w niektórych regionach półkuli północnej choćby o 45 dni na stulecie. Jak przewidują naukowcy do 2080 roku ponad 230 tys. spośród 1,4 mln jezior o powierzchni większej niż 0,1 km² może być okresowo bądź trwale pozbawiona pokrywy lodowej. Ocenia się, iż w przypadku jezior położonych na niższych szerokościach geograficznych liczba dni ze zlodzeniem może spaść choćby o 80%.

Nowa era w pomiarach zlodzenia

Zyskującym aktualnie na popularności uzupełnieniem pomiarów instrumentalnych są badania wykorzystujące teledetekcję do obserwacji lodu jeziornego (Tom i in., 2020, Murfitt i Duguay, 2021). Te nowoczesne narzędzia pozwalają monitorować jeziora na odległych obszarach oraz są szczególnie pomocne przy badaniach struktury przestrzennej lodu na jeziorze. Prowadzona w ostatnich latach automatyzacja sieci pomiarowo-obserwacyjnej w IMGW-PIB spowodowała konieczność zastosowania również innych metod oceny zjawisk lodowych w celu zachowania ciągłości istniejących serii danych. Obserwacje zlodzenia na stacjach automatycznych prowadzone są w ograniczonym zakresie, tylko podczas wizyt kontrolnych. Opracowywana w tej chwili metoda automatyzacji monitoringu zjawisk lodowych na jeziorach zakłada możliwość prowadzenia obserwacji w sposób stacjonarny w wybranych punktach na podstawie obrazów z kamer (Ilustracja 7) oraz z wykorzystaniem urządzeń mobilnych takich jak drony czy satelity (Ilustracja 8).